壓力傳感器在汽車行業的應用現狀

葉軍紅

（森薩塔科技常州有限公司， 江蘇 常州 213000）

現代化信息產業由信息系統“感官”的傳感器技術、信息系統“神經”的通信技術和信息系統“大腦”的計算機技術三大支柱技術構成，其中傳感器的技術水平和品質直接決定了信息技術系統的功能和發展水平。

傳感器（GB／T 7665—2005） 是一種能夠感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成輸出信號的器件或者裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器按照功能可以分為壓敏、溫敏、流體、光敏、聲敏、氣敏、化學等傳感器，其中壓力傳感器在航空航天、軍事裝備、工程裝備、工業控制、汽車電子、醫療器械和物聯網等行業都有著極其廣泛的應用，也是各類傳感器中應用面最廣、需求量最大的品種。

1 壓力傳感器在汽車行業的現狀

在汽車電子行業中，汽車傳感器作為信息采集源，主要應用于動力總成系統，車身控制系統以及底盤系統中，主要包括8類不同功能的傳感器：壓力傳感器、位置傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器以及輪速傳感器。

壓力傳感器在汽車行業上使用量多，技術發展快。目前在汽車傳感器市場上使用的壓力傳感器根據壓敏元件的主流技術主要分為電容式壓力傳感器和電阻式壓力傳感器兩大類。

2 電容式壓力傳感器

2.1 電容式壓力傳感器的原理

陶瓷電容壓力傳感器［1，5，7］采用陶瓷膜片作為壓敏元件，陶瓷膜片和陶瓷基體分別制作成電容的兩極。當外界壓力作用于陶瓷膜片時，陶瓷膜片發生變形，兩極之間的距離發生改變，從而導致電容量改變，再通過特定的ASIC調理芯片，輸出標準的電壓信號（圖1）。

圖1 陶瓷電容壓力傳感器的原理

2.2 電容式壓力傳感器的結構

陶瓷電容技術 （圖2） 從結構上主要包含陶瓷基體和陶瓷膜片兩大部分，采用高溫熔融的玻璃將陶瓷膜片和陶瓷基體燒結在一起從而起到密封的作用。陶瓷基體和陶瓷膜片的內側都印刷有電極圖形（圖3），從而形成一個可變電容。當測量的外界壓力通過特制的通道傳遞到陶瓷膜片時，陶瓷基體和陶瓷膜片之間的電容量會隨壓力的變化而變化，特定的ASIC調理芯片通過設定好的轉換方程將測量到的電容信號轉換為電壓信號。

圖2 陶瓷電容敏感元件示意圖

圖3 陶瓷電容敏感元件實物圖

2.3 電容式壓力傳感器在汽車行業的主要應用

陶瓷電容技術具有成本適中、耐腐蝕性好、介質兼容性強等優勢，采用陶瓷電容作為壓敏元件的壓力傳感器被廣泛應用在水、氣、液多種介質的壓力檢測中，尤其適用于汽車系統（表1） 惡劣的工況環境。

表1 電容式壓力傳感器在汽車上的主要應用

3 電阻式壓力傳感器

3.1 電阻式壓力傳感器的原理

電阻式壓敏元件利用濺射或者微熔玻璃等方式將應變電阻固結在彈性膜片上組成惠斯通電橋。當外界壓力作用于彈性膜片時，膜片發生變形，應變電阻的電阻值發生改變，從而導致惠斯通電橋改變，再通過特定的ASIC調理芯片，輸出標準的電壓信號（圖4）。

圖4 電阻式壓力傳感器的原理

3.2 電阻式壓力傳感器的結構

電阻式壓力傳感器利用應變電阻的壓阻效應，隨著MEMS技術的普及，根據彈性膜片的材料類型和應變電阻的封裝方式，可以分為陶瓷電阻式、濺射薄膜式、硅應變片式和硅壓阻式等4類。

3.2.1 陶瓷電阻式（金屬應變片） 結構的壓敏元件

陶瓷電阻技術［2，5，7］（圖5） 采用厚膜印刷工藝將應變電阻印刷在陶瓷基體的表面，應變電阻組成惠斯通電橋 （圖6）。當測量的外界壓力通過特制的通道傳遞到陶瓷膜片時，金屬應變片的壓敏電阻效應會導致惠斯通電橋的阻值隨著壓力的變化而變化，特定的ASIC調理芯片通過設定好的轉換方程將測量到的電阻信號轉換為電壓信號。

圖5 陶瓷電阻敏感元件示意圖

3.2.2 濺射薄膜式 （金屬應變片） 結構的壓敏元件

濺射薄膜技術［3，4，7］（圖7） 采用離子濺射工藝將應變特殊材料的金屬離子按照特定的圖形印刷在不銹鋼基體的表面生成金屬應變電阻，特殊材料的金屬離子生成的應變電阻組成惠斯通電橋 （圖8）。當不銹鋼膜片上承受的外界壓力變化時，由于壓敏電阻效應，不銹鋼膜片產生微小形變導致惠斯通電橋的阻值發生變化，通過ASIC調理芯片將電阻信號轉換為電壓信息輸出。

圖6 陶瓷電阻敏感元件實物圖

圖7 金屬應變電阻敏感元件示意圖

圖8 金屬應變電阻敏感元件實物圖

3.2.3 硅應變片式結構的壓敏元件

硅應變片技術［5，7］（圖9） 采用玻璃漿料將硅應變計高溫燒結在不銹鋼基體的表面，硅應變片等效的4個電阻組成惠斯通電橋（圖10）。當不銹鋼膜片上承受的外界壓力變化時，由于壓敏電阻效應，不銹鋼膜片產生微小形變導致惠斯通電橋的阻值發生變化，通過ASIC調理芯片將電阻信號轉換為電壓信息輸出。

圖9 硅應變片敏感元件示意圖

圖10 硅應變片敏感元件示意圖

3.2.4 硅壓阻式結構的壓敏元件

硅壓阻技術［6，7］（圖11）利用半導體材料的壓阻特性來實現，在硅膜片的表面蝕刻出等效的電阻來組成惠斯通電橋 （圖12）。當硅膜片上承受的外界壓力變化時，由于壓敏電阻效應，硅膜片產生微小形變導致惠斯通電橋的阻值發生變化，通過ASIC調理芯片將電阻信號轉換為電壓信號輸出。

圖11 硅壓電阻敏感元件示意圖

3.3 電阻式壓力傳感器在汽車行業的主要應用

圖12 硅壓電阻敏感元件示意圖

電阻式技術具有體積小、量程范圍寬、溫度一致性好等優勢，電阻式壓力傳感器被廣泛應用在水、氣、液多種介質的壓力檢測中，尤其適用于汽車系統（表2） 惡劣的工況環境。

表2 電阻式壓力傳感器在汽車上的主要應用

4 結束語

汽車工業作為國民經濟的支柱產業，國內已經在加快發展，減小和歐美日韓之間的差距。同時作為汽車工業的核心零部件之一的傳感器也在快速發展，文中幾種典型技術的壓力傳感器市場，不僅有國際知名的企業，如Bosch、Conti、Sensata、NXP、Infineon、TE等，也有國內的企業，如上海保隆、蘇州納芯微、昆山雙橋、無錫芯感智、重慶德爾森、湖南啟泰等。